Investigation of Coupling Methods for Floating Offshore Wind Turbines and Their Application for an Innovative Floating Platform

Abstract

Fosil yakıtların yerini alacak daha çevreci enerji kaynaklarına olan ilgi arttıkça, çeşitli enerji alanları da devreye girmektedir. Bunlardan biri ve giderek artan potansiyeli ile dikkat çeken deniz üstü yüzer rüzgâr enerjisi, önemli araştırma konularından biri olarak platformun OpenFAST gibi aero-hidro-servo-elastik programlara entegrasyonu veya benzer aero-hidro kuvvetlerinin bir arada verilmesi yöntemlerinin incelenmesini kapsamaktadır. Bu tez kapsamında daha önceden 300 kW ve 5 MW değerleri için tasarlanmış olan yenilikçi yüzer platformun 5 MW'lık NREL referans rüzgâr türbini için ölçüleri ve özellikleri analizlerde kullanıma uygun şekilde düzenlenmiştir. Literatürde yaygın olarak kullanılan spar, semi-submersible platformlara ek olarak yenilikçi platform için akuple yöntemleri incelenmiştir. Türbinlerin ve platformların sistem tepkilerini ve davranışlarını görmek için doğal periyotları ve sönüm oranlarını bulma, serbest salınım testleri, düzenli, düzensiz dalga koşullarında, sabit ve türbülanslı rüzgâr koşulları dahil çeşitli koşullarda analizler yapılmıştır. Bunun sonucunda, akuple yöntemlerinin doğrulanması, platformların birbirleriyle karşılaştırılması, yenilikçi platformun esnek ve rijit yapısındaki farklı davranışlar incelenmiştir. Bu bağlamda, OpenFAST'a girdi olarak hidrodinamik katsayı sağlayan açık kaynaklı Capytaine ve NEMOH gibi programların yanı sıra AQWA gibi ticari programların, WAMIT gibi yaygın olarak kullanılan ticari programın OpenFAST çıktılarıyla benzer sonuçlar verdiği görülmüştür. Ayrıca, F2A akuple yönteminin de bu sonuçlarla oldukça tutarlı olduğu gözlemlenmiştir. Ayrıca, platformlar karşılaştırıldığında, bağlama halatlarındaki kuvvetlerin özgün platformda diğer platformlara göre daha yüksek olmasına rağmen, özellikle sistemin kararlılığı açısından önemli bir kriter olan platformun yunuslama açısının önemli ölçüde daha düşük olması sebebiyle, kule, kanat ve sapma yatağı gibi bileşenler üzerinde diğer platformlara kıyasla daha az yük oluştuğu hesaplanmıştır.

The search for more sustainable energy sources to replace fossil fuels has encouraged the development of several energy sectors, including floating offshore wind energy. Growth in this area focuses on research in platforms for aero-hydro-servo-elastic codes such as OpenFAST and aero-hydro coupling methods. In this thesis, the innovative floating platform, which was previously designed for 300 kW and 5 MW capacities, has been modified in terms of dimensions and features to be suitable for analysis with the 5 MW NREL reference wind turbine. The study examined coupling methods for spar, semi-submersible, common in the literature, and innovative platforms. This involved determining natural periods and damping ratios to see the system responses and behaviors of turbines and platforms, free decay tests, and various loads, including steady and turbulent wind conditions in regular, irregular wave conditions. The analysis provided several conclusions, including the verification of coupling methods, comparative evaluations of different platforms, and investigations into the behaviors of the innovative platform under flexible and rigid configurations. In this context, open-source programs like Capytaine and NEMOH and the commercial program AQWA produce results similar to WAMIT's OpenFAST outputs. The F2A coupled method also shows strong correlation and consistency with these results. Furthermore, while the innovative platform with mooring lines achieves higher values than other platforms, its pitch angle is significantly lower, which is crucial for system stability, fatigue, and extreme loads. This reduces loading on components such as the tower blade and yaw bearing.